bab ii landasan teori 1.1 turbin air -...
TRANSCRIPT
II-4
BAB II
LANDASAN TEORI
1.1 Turbin Air
Turbin air adalah turbin dengan media kerja air. Secara umum, turbin adalah
alat mekanik yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap atau stationary
blade, tidak ikut berputar berputar bersama poros, berfungsi mengarahkan aliran
fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah dan kecepatan
aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap
sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya
tidak berubah dengan tekanan.
Teori turbin air bertujuan terutama untuk mendapatkan unjuk kerja optimum
dalam pemanfaatan energi air pada suatu kondisi operasi tertentu. Formula yang
digunakan kebanyakan diperoleh secara empiris, berdasarkan pengalaman,
eksperimen atau analisis dimensi.
Dasar kerja turbin air sangat sederhana yaitu mengubah energi kinetik
menjadi energi mekanik yang diketemukan sebelum dimulainya tahun masehi.
Teknologi ini merupakan perkembangan dari kincir air. Perbedaan utamanya antara
kincir air dan turbin air adalah bahwa kincir air hanya mengubah kecepatan aliran,
sedangkan turbin air mengubah arah dan kecepatan aliran.
II-5
Gambar 2.1. Instalasi turbin air
Pada umumnya turbin air terdiri dari (1) dam (bendungan), (2) pipa pesat,
(3) runner (roda jalan), dan (4) generator, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1.
Penggunaan turbin air kebanyakan untuk pembangkit tenaga sebagai
penggerak generator seperti pada PLTA ( Pembangkit Listrik Tenaga Air ), karena
mempunyai karakteristik yang cukup memenuhi persyaratan sebagai pembangkit
tenaga modern. Persyaratan yang dimaksud adalah:
1. Efisiensi yang baik dan tidak banyak berubah untuk beban yang
bervariasi
2. Putaran yang cukup tinggi, sehingga dapat dikopel langsung dengan
generator
3. Dapat dikonstruksikan dengan poros horizontal atau vertical
4. Dapat memanfaatkan beda ketinggian permukaan air yang sangat
bervariasi dan kapasitas aliran dari yang sangat kecil sampai dengan
yang sangat besar.
Pada PLTA, tinggi rendahnya putaran sangat berpengaruh terhadap ukuran
turbin maupun generatornya dan secara tidak langsung berpengaruh juga terhadap
harga dan biaya instalasi.[1]
4 1
2 3
II-6
1.1.1 Klasifikasi Turbin Air
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang
paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut
merubah energi potensial menjadi energi mekanik. Berdasarkan klasifikasi ini,
maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls
2. Turbin reaksi
1.1.1.1 Turbin Impuls
Ciri utama dari turbin jenis impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada
sudu tetap dan tidak terjadi pada sudu berputar. Pada turbin air jenis impuls,
misalkan turbin Pelton, air tidak memenuhi saluran. Oleh karena itu persamaan
kontinuitas tidak dapat diterapkan. Energi fluida masuk sudu gerak, dalam bentuk
energi kinetik pancaran air yang dihasilkan oleh nosel. Pada bucket, energi air
diubah menjadi energi mekanis putaran poros dan sebagian hilang antara lain
karena perubahan arah aliran, gesekan serta sisa kecepatan yang keluar bucket dan
tidak dapat dimanfaatkan.
Turbin impuls atau turbin aksi disebut turbin tak bertekanan karena sudu
gerak beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin air jenis impuls yang pernah
dibuat, namun yang masih banyak ditemukan pada saat sekarang adalah turbin
Pelton dengan bentuk bucket yang terbelah ditengah seperti pada gambar 2.2. Posisi
poros dapat dibuat tegak (vertikal) atau mendatar (horisontal). Selain itu ada juga
jenis turbin Banki.
Turbin impuls sesuai untuk pemanfaatan sumber air yang memiliki
ketinggian permukaan yang besar, tetapi dengan debit yang kecil. Menurut sumber
beda ketinggian yang paling sesuai berkisar diantara 350 meter sampai maksimum
beda ketinggian yang ada, sekiar 1800 meter. Tetapi secara teoritis mampu untuk
beda ketinggian yang lebih besar lagi.[1]
II-7
Gambar 2.2 Turbin Pelton[1]
Turbin Flow Through atau turbin Banki biasanya digunakan untuk
pembangkit yang menghasilkan kapasitas daya yang relatif kecil. Sedangkan turbin
Pelton biasanya digunakan untuk pembangkit yang menghasilkan daya relatif besar.
Jumlah nozel biasanya berjumlah 1 atau lebih dari 1 nozel dan posisi porosnya dapat
tegak atau mendatar.
Turbin Banki dapat dikategorikan sebagai peralihan dari kincir air jenis
impuls. Turbin Banki dengan roda aliran radial bertekanan atmosfer, menghasilkan
daya dari energi kinetik pancaran air. Putaran karakteristik dari turbin jenis ini
berada di antara turbin air tangensial jenis Pelton dan turbin Francis aliran
campuran. Seperti turbin air pada umumnya, turbin Banki terdiri dari dua bagian,
yaitu nosel dan runner.
1.1.1.2 Turbin Reaksi
Ciri turbin reaksi pada semua jenis turbin baik turbin uap, turbin gas,
maupun turbin air adalah bahwa sebagian dan tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap
dan sebagian lagi pada sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada
perhitungan aliran melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi
seluruh saluran sudu. Karena fluida masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi
II-8
masuk, maka untuk daya dan putaran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih
kecil dibandingkan dengan turbin impuls.
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya
dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Hampir
semua dari jenis turbin ini beroperasi didalam air, oleh karena itu pada bagian
masuk dan keluar turbin mempunyai tekanan yang lebih besar dari tekanan udara
luar.
Arah aliran masuk runner dapat diatur oleh sudu pengatur dan disebut juga
sebagai sudu pengarah atau stationary blade untuk memperoleh arah yang sebaik-
baiknya untuk menghasilkan efisiensi yang maksimal.
Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis, turbin Propeller, dan turbin
Kaplan.
Turbin Francis mengalami perkembangan dari bentuk semula yang berupa
turbin aliran radial masuk yang murni. Tepi seksi masuk dan seksi keluar sejajar
sumbu rotasi. Turbin ini mempunyai kelemahan bahwa diameter dalam terlalu
besar. Turbin Francis yang dimodifikasi dan masih bertahan sampai saat sekarang
adalah turbin Francis dikenal ada tiga jenis yaitu turbin putaran rendah ( beda
ketinggian antara 280 sampai 400 meter), turbin putaran sedang ( beda ketinggian
antara 100 sampai 280 meter), dan turbin dengan putaran tinggi ( beda ketinggian
antara 35 sampai 100 meter).[1]
Turbin Propeller yang sesuai untuk beda ketinggian rendah ( dibawah 35
meter), mempunyai sudu gerak yang dapat berjumlah 3, 4, 5, 6, atau 8. Sudu gerak
ini sering disebut wing, fin, propeller atau rotary blade. Turbin propeller
sebenarnya sama dengan turbin Kaplan, hanya ada sedikit perbedaan, yaitu bahwa
turbin Propeller mempunyai wing yang tetap sedangkan turbin Kaplan mempunyai
wing yang dapat diatur. Pengaruh dari wing yang dapat diatur posisinya ini adalah
bahwa turbin Kaplan mempunyai efisiensi yang tidak banyak berubah pada beban
parsial. Namun tentu saja lebih mahal harganya.
II-9
Pada umumnya turbin reaksi mempunyai efisiensi yang lebih tinggi
dibandingkan dengan turbin impuls. Tetapi bila ukuran turbin terlalu kecil (<
0,5m) maka turbin impuls menjadi yang lebih baik efisiensinya. Hal ini disebabkan
karena kebocoran relatif yang menjadi besar dan juga kerugian gesek pada saluran
yang kecil akan meningkat.
1.2 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin
Pemilihan tipe turbin air yang akan digunakan sesuai dengan kebutuhan
yang kita inginkan, tentu saja tipe turbin air tersebut memiliki kelebihan dan
kekurangan. Berikut ini adalah beberapa faktor yang mempengaruhi bentuk atau
tipe turbin air:
1. Head ( H ) atau ketinggian permukaan air
2. Debit ( Q ) atau kapasitas air
3. Kecepatan putaran ( n )
4. Kecepatan spesifik ( nq )
II-10
Gambar 2.3 Hubungan antara D1 dan b1 pada
perencanaan luas penampang
1.2.1 Head ( H )
Dari suatu tinggi air jatuh ⁄ bisa diperoleh daya
spesifik yang dihasilkan turbin, bisa dengan harga yang kecil dan yang besar
atau sebaliknya. Tetapi tergantung pada diameter D1 (gambar 2.3)
dan kecepatan putar roda turbin n .
Tabel 2-1 Pengaruh head terhadap jenis turbin
Turbin Prinsip Runner
Tekanan Head
Tinggi Sedang Rendah
Impuls Pelton Turgo Crossflow Turgo Crossflow
Pelton Multi Jet Pelton Multi Jet
Reaksi
Francis pump as turbin (PAT) Propeller
Kaplan
1.2.2 Debit ( Q )
Luas penampang saluran A1 tergantung kepada kapasitas aliran air. Dari
persamaan kontinuitas ⁄ , dimana pada roda turbin .
Jadi disini ada hubungannya dengan diameter roda turbin, yang berarti ada juga
pengaruhnya terhadap besarnya u1. Dengan pemilihan lebar b berarti diameter roda
D tertentu dan dengan demikian bentuk roda turbin juga tertentu.
1.2.3 Kecepatan Putaran ( n )
Dalam pemilihan kecepatan putaran sedapatnya ditentukan setinggi
mungkin, karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen punter
yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil serta ukuran-
ukuran bagian mesin yang lainnya kecil.
II-11
1.2.4 Kecepatan Spesifik ( nq )
Kecepatan spesifik nq dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe
roda turbin dan dipakai ssebagai suatu besaran yang penting dalam merencanalan
turbin air dapat dilihat pada gambar 2.4.
√
√
√
⁄
n: Kecepatan putar (jumlah putaran /menit) turbin yang ditentukan (1/menit)
V : Kapasitas air (m3/s)
H : Tinggi jatuh air (m)
Gambar 2.4 Daerah penggunaan jenis turbin
II-12
Gambar 2.5 Harga perkiraan untuk menentukan ukuran
utama turbin Kaplan
II-13
Tabel 2-2 Jenis turbin
Jenis Turbin kecepatan spesifik, ns (rpm)
Efisiensi, ɳT (%) Tinggi air jatuh, H (m)
Impuls (pelton) 2 – 45 85 – 90 2000 - 100
Francis 45 – 100 90 – 94 100 - 18
Propeller 100 – 300 94 – 85 180 - 20
1.3 Daya Turbin
Dari kapasitas air Q dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang
dihasilkan turbin
Dimana :
P: daya (watt)
ρ : massa jenis air ( kg/m3, ρair = 1000 kg/m3)
g : gravitasi (m/detik2)
H: ketinggian air (m)
Q : kapasitas air/ debit ( m3/detik)
Bila massa aliran ( m ) dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya yang
dihasilkan
Dimana :
m : massa aliran
II-14
1.4 Kapasitas aliran
Kapasitas air yang mengalir merupakan pengaruh dari luas penampang dan
kecepatan aliran. Dengan diketahui luas penampang saluran A dan kecepatan aliran
c, maka kapasitas air yang mengalir Q adalah
1.5 Turbin Kaplan
Pada tahun 1913 victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin
baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan
dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.
Gambar 2.6 Instalasi turbin Kaplan
Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat
terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya
dorong, roda jalan pada Kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya
putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda
II-15
jalan pada turbin Francis, sudu-sudu pada roda jalan Kaplan dapat diputar
posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin.
Turbin Kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air
sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang
berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan
tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan
generator.
Pada kondisi beban tidak penuh turbin Kaplan mempunyai efisiensi paling
tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan
dengan beban yang ada.
Biasanya turbin Kaplan beroperasi pada head yang rendah dengan debit air
yang tinggi atau bahkan beroperasi pada debit air yang sangat rendah. Hal
ini karena sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk
merespon perubahan debit air. Berkebalikan dengan turbin Kaplan, turbin Pelton
adalah turbin yang beroperasi dengan head tinggi dengan debit air yang rendah.
Untuk turbin Francis mempunyai karakteritik yang berbeda dengan lainnya
yaitu turbin Francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada
head yang tinggi.
1.5.1 Konstruksi runner turbin Kaplan
Dalam merancang sebuah runner turbin Kaplan ada beberapa bagian yang
harus di ketahui nilainya, seperti diameter hub, lebar poros dan lebar blade.
Kecepatan aliran
Kecepatan aliran yang dimaksud adalah kecepatan aliran air yang mengalir
dan membentur pada blade sehingga menghasilkan putaran. Karena turbin air
mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik maka dalam perhitungan
kecepatan aliran menggunakan rumus
√
Dimana :
II-16
V: kecepatan aliran air (m/s2)
g: gravitasi (m/s2) (9,81m/s2)
H: head (m)
Diameter keseluruhan (D1)
Setelah mendapatkan kecepatan maka hasilnya dikalikan dengan U1* yang
didapat dari grafik untuk mendapatkan nilai dari diameter keseluruhan (D1).
C
Dimana :
Diameter Leher poros (DN)
Dimana:
U1*, UN
*, cm*pengarah didapat dari grafik hasil dari perhitungan kecepatan
spesifik pada gambar 2.5.
Dari ketentuan dimensi maka kecepatan meridian c2m=c2 pada bagian keluar
roda jalan sama dengan kecepatan masuk ke pipa isap.
II-17
⁄
(
) ⁄
Segitiga kecepatan didapat dari:
( )
Dengan cu2 = 0 karena c2 adalah pengeluran yang tegak lurus maka didapat
kecepatan absolut.
Kecepatan absolut
Dimana: ( )
Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian tengah sudu bisa
digambar.
Kemudian menentukan kecepatan absolut pada leher poros menggunakan
rumus yang sama dimana:
Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian leher poros bisa
digambar.
Kemudian menentukan kecepatan absolut pada bagian luar dimana:
Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian luar bias digambar.
Kemudian menghitung pembagian tinggi jatuh pada bagian tengah roda
jalan
Tinggi air jatuh pada sudu pengarah:
II-18
⁄
Tinggi air jatuh pada roda jalan:
(
) ⁄
Didalam pipa isap:
Jumlah seluruhnya adalah
Kemudian menghitung gaya tangensial T dan gaya aksial S
( )
Dimana :
Harga D dalam hal ini diambil dari harga DM
( )
B adalah jumlah keseluruhan lebar sudu yang didapat dari
cm = c2 adalah kecepatan air melalui seluruh penampang.
Perhitungan pembanding:
Daya yg dihasilkan
Dimana:
Gaya geser aksial
( ⁄ ) (
)